自动门控制系统的设计

设计题目：自动门控制系统

系别：

年级专业：

小组成员：

2010年 3月 20号

自动门控制系统

摘要：本设计以人体检测和单片机控制为核心，根据热释电型红外传感器对人体的感应特点，将这种感应信号传送到单片机控制系统，实现对人的自动开

关功能，同时通过这种传感器的检测和单片机自动控制技术，实现了门的

自动开合和防夹人等功能。整个系统主要由人体检测模块、门位置检测模

块、控制模块、电机及驱动模块四部分组成。

关键词：单片机，直流电机，红外对管传感器，热释电型红外传感器

1 引言

自动门控制系统在日常生活中，得到了广泛的应用，特别是酒店、银行、机场、写字楼等公共场合中，极大的方便了人们的出行。

本设计要求制作完成一个自动门控制系统。根据分析，基本要求有：（1）1m 以内有物接近时应开启；（2）物体1m以外应关闭（3）确保无夹人事故发生；（4）关闭缝隙<1mm，关闭过程中无碰撞。发挥部分有：（1）开启和关闭过程中无抖动；（2）根据人流量的多少，自动调节门开幅度；（3）感应无盲区等其它功能。

自动门即不需要人的操作门会根据情况自动开启和关闭。故自动门控制系统的关键在于对门开启和关闭条件的检测和对电机的控制。

2方案设计

设计思路和整体规划思路

自动门的控制主要基于硬件和软件的要求，硬件方面采用简单高效的51单片机系统板来实现还有就是直流电机，红外对管传感器，热释电型红外传感器，软件方面基于单片机设计。

自动门的门板由支架支撑在导轨上，导轨连接到驱动装置，驱动装置通过皮带来带动门板在导轨内滑动。电动门的驱动装置是一组电机组件，由直流电机来完成。主控制器单片机是自动门的指挥中心，通过内部指令程序，发出相应指令，指挥电机工作。外部信号由热释电型红外传感器来完成，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器单片机一个信号，电机提供开门与关门的主动力。然后开门。

自动门门扇完成一次开门与关门的工作流程如下：感应探测器将探测信号传至主控制器单片机上，主控制器判断后控制电机运行。电机得到一定运行电流后做正向运行，将动力经传动机构使自动门扇开启；自动伸缩门扇开启后由控制器做出判断，控制电机作反向运动，关闭自动门扇。

在双开门上两边分别安装红外对管，当门打开的过程中，又有人过来时，人流量增大，此时，红外对管的接收器不能接收到发射器的信号，把情况传输给主控制器单片机上，然后再由单片机控制电机将门打开。

在双开的门棱上安装一组红外对管，当门在关的过程中有人或物时，表示有夹物情况出现，红外对管的接收器将不能接收到发射器的信号，并把情况传输给主控制器单片机上，然后再由单片机控制电机将门打开。

同时，在门的两侧，可安装按钮，直接控制直流电机。当控制器系统出现故障时，也可由人人为的主动按按钮，达到在系统出现故障时，人也可以自如的开进门的状况。

系统基本流程如下：

51单片机

红外传感器

电机

开门

来人

关门

无人

开始

有夹物

红外对管

无夹物

直接关门结束

手动按按 钮

人流量

（多）

3系统设计所需的器件

（1）．传感器的选择

该系统传感器需要2种：热释电人体红外传感器和红外对管传感器。其中，红外对管传感器需要3个，热释电人体红外传感器需要1个。下面，对市场上其传感器的性能做比较：

《1》热释电人体红外传感器（人体检测模块）

人体红外传感器由一个红外传感器与透镜组成，基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动输出高电平。其灵敏度高，可靠性强，可以摄取小到在人手的移动信息。具有低功耗，反应快的优点，广泛应用于各类自动感应电器设备。

CCD摄像头。将两台CCD数码相机相互垂直地安放在摄影装置上,两台相机同时对坐标已知的标志点进行摄影,综合利用摄影装置与标志点形成的角度观测量与所在区域的高程库信息,解算出摄影装置的高精度坐标。这种校差摄影定位差值在2 cm左右。CCD校差摄影定摄影测量具有机动性好、时效性高、目的性强等优点。但它需要PC软件辅助比对色差，算法也比较复杂。

所以，从性价比及简单可靠性方面上考虑，采用热释电人体红外传感器比较合适。

热释电人体红外传感器电路原理图如下图所示：

《2》红外对管传感器

红外对管传感器由一对红外发光二极管构成，一个为发射管，一个为接收管。

如图下图所示，当D1管和D2管之间没有障碍物时，由发射管发送的红外线可以到达接收管，使接收管的PN节导通，在比较器的一端产生电平变化，经过比较器后输出相应电平。利用此原理可以探测D1管和D2管之间有没有障碍物。

红外对管传感器的原理图如下：

（2）门位置检测模块的选择

限位开关。限位开关即一个开关，通过外围电路给出高低电平信号，可判断门的位置，是否完全关闭或开启。限位开关不仅外围电路很简单，而且能使门立即停下来。

当然，将对管传感器装于两扇门上，可用于检测门中间是否有人。在门的两侧边缘各装两对红外对管传感器，调节红外对管检测的距离即可轻松实现门位置的检测，同时检测距离的可调性降低了系统对机械部分的要求。

基于以上分析，为了减少外围电路，并能更加方便位置的检测，我们采用限位开关。

（3）51单片机的选择（控制模块）

AT89S52，采用AT89S52作为中央处理器，该MCU最大的特点就是性价比非常高，而且很适合做控制。内部具有2个外部中断、3个定时/计数中断和1个串口中断。而且I/O口多，能很好的满足该系统的要求。AT89S52还有8K的ROM，256个字节的RAM，而且具有很高的可扩展性。

C8051F005，采用C8051F005作为中央处理器,C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，有一个真正的12位多通道ADC,具有32K的ROM，

256个字节的数据RAM。

FPGA，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，所有器件集中在一块芯片上，体积小，稳定性高。同时FPGA可用EDA软件仿真调试，易于进行功能扩展。但由于本系统对数据处理的速度要求不高，而FPGA引脚较多，布线复杂，成本也偏高，不宜采纳。

对于该系统，主要是用于控制，内部不需要数模转换，而且两款单片机的许多功能类似，AT89S52即可满足设计要求，所以从性价比上考虑，我们采用AT89S52。

AT89S52电路图如下图所示：

（4）电机的选择（电机及驱动模块）

直流电机，利用L298及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。电机是控制自动门的核心部件，对自动门的开关控制也就是对每台电机的控制。要实现自动门的左右两扇门开关同时进行,并且关闭缝隙<1mm，必需能对电机实现精确控制。直流电机控制简单，调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。起动、制动转矩大，易于快速起动。易于控制。且它具有良好的性价比。

然而，步进电机虽然可以实现精确控制，但存在振荡和失步的现象，在同等功率的条件下，它的尺寸要比舵机和直流电机大的多，当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，容易使系统造成抖动,频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

综上所述，采用直流电机较合适一些。

L298电路图如下图所示：

系统的整体原理图：

4制作过程中遇到的问题

框架的组装，在组装前我们已经设计好了基本模型，可是当我们真正准备着手去做的时候问题就来了。框架的材料问题，框架材料必须具备轻且结实。关于材料问题的最后我们一致认为用装芯片的外壳，满足轻且结实的条件。在框架的组装期间也有不小小插曲。比如在实验室找不到胶枪，以至于我们耽误的一晚上的时间。最终自动门的框架经过我们组一晚上的努力顺利完成。

硬件驱动。首先要完成对LM324和L298两种芯片的认识，掌握后就要焊电路板。在焊LM324红外对管驱动电路的时候很顺利，两个小时就完成了。但是完成并代表就能工作。在测试时芯片也工作，但是效果就是出不来，最后经过测电压和检查线路是否短路时发现LM324芯片的2引脚短路。这又花费了我们近一个小时的时间。

L298电机驱动很容易焊接。又要写个小插曲，在我们把驱动电路都完成时我们组就是借不到电源来测试。最后还是我们自己焊了一个简单稳压电源。在我们刚完成电源就有人把他们买的电源给我们送过来了。电机驱动测试的时候遇到的问题更严重。在把12V电压插到电路板上时，电路板上的电容直接就烧坏了。严重的问题是不知道我们的芯片有没有烧坏！最后根据电路图赵亚非又重新焊了一遍。也发现芯片没有烧坏。在测试电机驱动的时候电机就是不转，最后因为在与单片机相连的引脚接错了。电机驱动最后也顺利完成！

在这里，感谢干老师的精心指导，让我们完成的很顺利。

下面是在制作过程中所拍摄的一些图片：

门基本框架

电机驱动 红外对管驱动

5总结

这次电子设计大赛有关自动门的控制系统让我们感觉到了单片机的复杂深度性，它很贴切我们的日常生活，无所不在，应用无处不有，它并不是想象中的那么简单，也并非是无法克服的堡垒，尤其是在所有门的框架搭好之后，在软件和硬件的有关调试过程中会遇到许多自己想象不到的错误和麻烦。比如说红外对管的接收和它所接收过程当中的灵敏度方面问题，热释电的安装的检测，还有就是门限位开关的安装问题，都是我们要克服的问题。最为重要的是，线路一定要连接到准确无误，不然就会遇到大麻烦。

经过这次亲身体验设计创作，让我们对此产生了很浓厚的乐趣，在一开始，我们一起去思考门的设计，然后去进行真正的安装设计，去找合适的芯片底座好用来做门框以及门的坐巣等等，既为找不到和买不到合适材料而苦恼，又为找到了合适的，但在安装的过程当中而为没有找到合适的位置而互相思考，最后安装到令自己满意而落有高兴。到后来，在硬件搭建和软件调试的过程中更是遇到了很大的麻烦。通过努力到最后慢慢的克服掉它们。

总之，这次电子设计大赛让我们的确得到了很多很多收获，不仅让我们对书面知识有了更进一步的掌握深入，更重要的是，让我们的实际动手能力得到了很有效的锻炼。一句话，这次电子设计大赛让我们的的确确受益匪浅。

在这里，感谢合肥学院电子设计大赛组委会及协办单位给我们这次锻炼的机

会，同时并感谢干老师的及时帮助，使我们能对所学理论知识实际应用，加深对本专业的了解。这次比赛中，我们充分发挥团队协作精神，积极工作并最终完成了作品，通关过这次比赛使我们加深了对电子设计的热爱，并从中受益颇多。

6系统的软件设计

自动门控制系统软件设计主要有开门程序和关门程序。当门前1米有人或按开门按钮时，热释电红外人体传感器检测到信号后传给单片机，当两对管都未检测到信号时停止开门，此时如果继续有人来则继续开门。

如果无人在感应区内移动，则执行关门程序，当突然有夹人信号，则门立即全部打开，防止夹人事故的发生。如果没有人在门中间或在门口移动，则重新执行关门程序，最后两扇门完全关闭。由于热释电红外传感器在检测到有人移动开门后，会自动延时3-4秒，因此，在软件上不必再设置延时程序。

源程序如下：

#include

sbit dj_1=P2^0; //电机1

sbit dj_2=P2^1; //电机2

sbit dj_en=P2^2; //电机使能端

sbit menqk=P2^3; //门全开高电平全开

sbit menqg=P2^4; //门全闭高电平全关

sbit anjkm=P2^5; //按键开门低电平按下

sbit hongwjr=P2^6; //红外夹人检测

sbit resd=P0^7; //热释电

sbit renl1=P1^0; //人流量红外检测有人为低电平

sbit renl2=P1^1; //人流量

unsigned char i;

unsigned char j;

void delaynms(unsigned int n)

{

unsigned char i;

while(n--)

{

for(i=0;i<150;i++);

}

}

void dooropen(void) //开门

{

dj_1=1;

dj_2=0;

dj_en=0;//使dj_en产生PWM波

delaynms(60);

dj_en=1;

delaynms(10);

}

void doorclose(void) //关门

{

dj_1=0;

dj_2=1;

dj_en=0;//使dj_en产生PWM波

delaynms(60);

dj_en=1;

delaynms(10);

}

void stop(void)

{

dj_en=1; //使能端有效控制停转

dj_1=dj_2=0;

}

void main(void)

{

while(1)

{

while(menqk&&(resd||(hongwjr==1)))

{

dooropen();

}

stop();

while(menqg&&(resd==0)&&(hongwjr==0))

{

doorclose();

}

stop();

while(anjkm==0)

{

while(menqk)

{

dooropen();

}

stop();

delaynms(20);

while(menqg&&resd==1)

{

doorclose();

if(hongwjr==1)

{

while(menqk)

{

dooropen();

delaynms(20);

}

stop();

delaynms(20);

}

stop();

}

}

}

}

参考文献：

[1] 高吉祥《数字系统与自动控制系统设计》电子工业出版社 2007.6

[2] 王晓明《电动机的单片机控制》北京航空航天大学出版社 2002.5

[3] 来清民《传感器与单片机接口及实例》北京航空航天大学出版社 2008.1

[4] 张毅刚彭喜元《单片机原理与应用设计》电子工业出版社 2008。4

[5] 李东生《Protel 99SE 电路设计教程》电子工业出版社 2006。9